銅脅迫對玉米幼苗生長的影響

王慧芳 張鳳杰 那日蘇 劉璐 李帥國

摘要[目的]研究銅脅迫對玉米幼苗生長的影響。[方法]采用室內培養方法，研究不同銅濃度及脅迫時間下玉米幼苗株高、發芽率、發芽勢、葉綠素含量以及可溶性糖含量的變化。[結果]低濃度下（0～100 mg/kg）銅對玉米萌發有促進作用，高濃度銅對玉米萌發有抑制效應；低濃度的銅對幼苗株高生長短期有影響，隨著幼苗的生長影響不顯著。銅脅迫可使玉米幼苗可溶性糖含量減少；短時間內低濃度銅對植株葉綠素的合成具有促進作用，但隨著脅迫時間的延長和銅濃度的增加，葉綠素的含量呈下降趨勢。[結論]該研究可為深入了解重金屬對作物生長發育的影響提供參考。

關鍵詞 銅；玉米幼苗；葉綠素；可溶性糖

中圖分類號 S513 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）09-060-02

Abstract[Objective]To research the effects of copper stress on seedling growth of corn.[Method]Indoor cultivation method was used to research the effects of copper concentration and stress time on the plant height， germination rate， germination potential， chlorophyll content and soluble sugar content.[Result]Under low concentration （0-100 mg/kg）， copper promoted the corn germination. Copper at high concentration restricted the germination of corn. Copper at low concentration affected the seedling height in short time， but showed no significnat impacts with the growth of seedling. Heavy metal copper has inhibitory effects on the growth of corn seedlings. Copper stress reduced the soluble sugar content of seedlings， and promotes the chloroplast synthesis in short time. However， with the prolong of stress time and the increase of copper concentration， chlorophyll content showed a downward trend.[Conclusion]This research provides references for the further research on the effects of heavy metal on crop growth.

Key words Copper； Corn seedlings； Chlorophyll； Soluble sugar

現代工業“三廢”的大量排放以及農業生產中農藥、化肥等農用物資的過量使用等不合理的人類活動，已經導致農田土壤遭受到不同程度的重金屬污染。土壤重金屬污染物主要有汞、鎘、鉛、銅、鉻、砷、鎳、鐵、錳和鋅，重金屬通過在作物體內富集進入食物鏈，對人類健康構成了極大的威脅。由于土壤重金屬污染范圍廣、危害大、治理難，已引起了人們的密切關注，與之相關的食品安全問題更是世界關注的焦點。

銅是常見的重金屬之一，也是一種高等植物生長發育過程中必需的微量營養元素，是許多胞內酶所必需的組分或輔酶[1]，同時參與很多生理代謝過程，對農作物的產量和品質等有重要的影響。但是，銅具有生物累積性，銅進入細胞后能直接或間接啟動膜質的過氧化作用，導致膜的損傷和破壞，同時能改變植物體內抗氧化酶系統的活性[2]。過量的銅又會導致植物體的銅毒害，阻礙植物生長，并降低產量和品質。

目前，土壤銅污染對植物的毒害機理研究仍處于探索階段。鑒于此，筆者利用盆栽培養研究銅脅迫對玉米種子萌發和幼苗生長的影響，并探討其毒害機理，以期為深入了解重金屬對作物生長發育的影響提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 精選玉米種子、大連金石灘某地無污染0～20 cm 的表層土壤。

1.2 試驗方法

1.2.1 玉米幼苗培養。

挑選500粒飽滿的玉米種子，用30%雙氧水浸泡10 min消毒備用，銅以CuSO4的形式提供。配置0、50、100、200、400 mg/kg濃度的銅溶液，用噴瓶將溶液均勻噴灑在土中拌勻，裝盆，在每盆土表面以下3～5 cm均勻播種10粒玉米種子，每盆澆水300 mL。

1.2.2 玉米幼苗發芽指標與株高的測定。

試驗開始，每天觀察玉米種子萌發情況，定期記錄種子萌發數，以長出葉片為發芽標準，發芽期間每隔24 h記錄1次發芽種子數，當連續2 d的發芽種子數不再改變，則認為發芽完全并統計發芽率，計算發芽指數。發芽率、發芽勢、發芽指數的計算公式為：

發芽率=種子的發芽數/供試種子總數×100%；發芽勢=規定時間內種子的發芽數/供試種子總數×100%；發芽指數GI=（Gt/Dt），式中Gt為在t d的發芽數，Dt為發芽天數。

在第10、25天分別對玉米幼苗進行株高測量。株高測量是從植株底部開始，一直到葉尖，隨機挑選3株測定。計算平均值。

1.2.3 生理指標的測定。

采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[3]；采用分光光度法，以80%丙酮為提取介質，按Arnon法[4]計算葉綠素含量。

2 結果與分析

2.1 銅脅迫對玉米種子萌發的影響

由表1可知，隨著銅濃度的增加，玉米種子的發芽勢、發芽指數呈先升高后降低的趨勢，二者峰值均發生在50 mg/kg處理上。發芽勢和發芽指數較對照組明顯升高。此后隨著銅濃度的增加玉米種子發芽勢和發芽指數出現下降趨勢。當銅濃度為50 mg/kg時，玉米種子的發芽勢、發芽指數均高于200、400 mg/kg處理。這說明低濃度（50 mg/kg）銅脅迫處理對玉米種子發芽具有促進作用，高濃度（200、400 mg/kg）銅脅迫處理對玉米種子發芽具有抑制作用。

2.2 銅脅迫對玉米幼苗株高的影響

建立不同時間段的苗株高（z）與濃度（c）、可溶性糖含量（k）、葉綠素含量（y）的線性回歸方程，擬合它們的相互關系，結果見表2、3。結果表明：第10天的株高與銅離子濃度、可溶性糖含量和葉

綠素含量之間顯著相關（P<0.05）。短時間內株高與可溶性糖和葉綠素含量正相關，可溶性糖和葉綠素含量越高幼苗長得越好。第25天時株高與銅離子濃度、可溶性糖含量和葉綠素含量之間極顯著相關（P<0.01）。隨著幼苗的生長株高與幼苗的可溶性糖含量呈負相關關系，受銅離子濃度影響更顯著。

由表2、3可知，銅濃度和脅迫時間對玉米幼苗株高有直接影響。當銅濃度為100 mg/kg時，在第10天的生長率下降13.8%，在第25天生長率下降12.0%，第10天的株高與對照組差異顯著，而之后無明顯差異，表明低濃度的銅對幼苗株高生長短期有影響，隨著幼苗的生長影響不顯著。可是當銅濃度達到200 mg/kg及以上時出現了促進作用。

3 結論與討論

重金屬銅、鎘、汞等脅迫下多種作物幼苗生長受到抑制，同時其許多生理生化指標發生變化[5]。該試驗結果表明，較低濃度下（0～100 mg/kg）銅對玉米萌發有促進效應，分析原因可能是溶液與玉米種子接觸時間不長，導致內滲的銅離子濃度不是很高，而此時的濃度剛好對于玉米的萌發起到促進作用；初期高濃度銅引起了細胞活性氧的增加，從而刺激了保護酶系統，使保護酶活性增加，保護酶可能激活玉米種子內萌發酶從而促進玉米種子的萌發。有研究表明，重金屬通過抑制光合作用、呼吸作用、礦質元素吸收等生理生化過程，導致植物物質和能量供應減少，從而抑制植物的生長過程[6]。該試驗中高濃度下銅對玉米萌發有抑制效應。主要是銅抑制了玉米種子淀粉酶的活性，降低了貯存物質的分解速度，而隨著濃度的增加，銅的富集作用導致種子萌發所需物質和能量的供給受阻，從而降低了萌發率。

銅脅迫使玉米幼苗可溶性糖的含量減少，這也是抑制玉米幼苗生長的一個表現。在銅濃度為400 mg/kg時又表現為可溶性糖含量提高，可能在于可溶性糖參與細胞的滲透調節作用，也可能是許多可溶性碳水化合物是植物適應環境的信號物質[7]。

玉米幼苗在生長初期生長旺盛，葉綠素含量是表示植物光合器官生理狀況的重要指標[8]。葉綠素為一種卟啉環結構的化合物，非常不穩定，極易受到熱、光、氧化劑等的影響而發生降解或結構轉變[9]。該研究中短時間內低濃度銅對葉綠素的合成具有促進作用，但隨著脅迫時間的延長和銅濃度的增加，葉綠素的含量呈下降趨勢，濃度高于100 mg/kg時與對照組相比存在顯著性差異。這可能是葉綠素合成系統的一種應激性反應。

參考文獻

[1]NAKAJIMA H，HARA K，YAMAMOTO Y，et al. Effects of Cu on the content of chlorophylls and secondary metabolites in the Cuhyperaccumulator lichen Stereocaulon japonicum[J].Ecotoxicology and environmental safety，2015，113：477-482.

[2]金進，葉亞新，李丹，等.重金屬銅對玉米的影響[J].玉米科學，2006，14（3）：83-86.

[3]張志良，翟偉菁.植物生理學實驗指導[M].北京：高等教育出版社，2004：123-125.

[4]李唯.植物生理學[M].北京：高等教育出版社，2015.

[5]古紅梅，胡述龍，王紅星，重金屬鉛對玉米種子萌發及幼苗生長的影響[J].廣東農業科學，2011，38（1）：36-38.

[6]秦天才，阮捷，王臘嬌.鎘對植物光合作用的影響[J].環境科學與技術，2000（9）：33-36.

[7]王靜，楊德光，馬鳳鳴，等.水分脅迫對玉米葉片可溶性糖和脯氨酸含量的影響[J].玉米科學，2007，15（6）：57-59.

[8]黃忠勤，周興根，楊峰， 等.水楊酸對銅脅迫下小麥種子萌發及抗氧化代謝的影響[J].安徽農業科學， 2011，39（8）：4472- 4474.

[9]王修東，樓飛群，賈天亮，等.葉綠素銅鈉穩定性影響因素研究[J].中國藥業，2012，21（14）：20-21.